Departamento de Engenharia Elétrica
CÉLULAS SOLARES DE FILMES FINOS NANOESTRUTURADOS E
SEMICONDUTORES DE TiO2 e Nb2O5, SENIZIBILIZADAS POR CORANTES
ORGÂNICOS (“Dye-Sensitized Solar - Cells-DSSC”)
Aluno: Fabio Zaccaro Scelza
Coordenador e Orientador do Projeto: Professor Dr. Marco Aurélio C. Pacheco
Co-Orientadora: Dra. Jacqueline Alves da Silva
1- Introdução
O interesse por fontes renováveis de energia têm crescido significativamente nas
últimas décadas, principalmente devido à preocupação crescente com os problemas
ambientais. Dessa forma, a pesquisa em células solares representa um dos principais
investimentos para o desenvolvimento sustentável da atual sociedade.
Células solares são feitas para simplesmente absorver a energia solar e transformá-la
em energia elétrica. A ideia, no entanto, não é totalmente condizente com realidade, uma vez
que a eficiência da melhor célula no mercado atual está por volta de 30 %.Vê-se claramente
que a contínua pesquisa nessa área é fundamental e indispensável, pois, paralelamente às
contribuições positivas que as células solares podem nos dar, é inegável que há muito o que
se desenvolver nelas.
As células solares funcionam basicamente por meio de estruturas semicondutoras
dopadas ou não que, ao absorverem a luz solar, são capazes de transformar a energia radiante
(solar) em energia elétrica (corrente elétrica). Desse modo, as células solares mais comuns no
mercado são constituídas, na maioria das vezes, por estruturas à base de silício, um elemento
semicondutor e bastante abundante, por exemplo.
Figura 1: Esquema básico de funcionamento de uma célula solar
Uma alternativa mais barata às células de silício seriam as células DSSC, que ao invés de
usarem um elemento semicondutor dopado ou não, um processo bastante dispendioso e
demorado, utilizou-se óxidos metálicos não dopados. Na presente pesquisa foram
utilizados os óxidos de titânio e o pentóxido de nióbio, como o anodo da célula,
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sensibilizada por corantes orgânicos naturais e artificiais. E em outra placa de ITO
contendo fuligem, como o catodo da célula.
Figura 2: Esquema de uma célula solar de silício.
Figura 3: Esquema de uma célula solar DSSC.
Um fator adicional para as células DSSC seria a introdução do Nb2O5 no lugar do TiO2,
pois o Nióbio é um elemento abundante no Brasil e já se observou um significativo potencial
fotovoltaico em filmes na forma de Sol-Gel de Nb2O5.
2- Objetivos
Os principais objetivos desse projeto foram:
-Pesquisar células solares de filmes finos contendo os óxidos metálicos de TiO2 e
Nb2O5 sensibilizadas por corantes orgânicos naturais (extraídos de frutas, sucos, e extraídos
de folhas, celulose) e artificiais (xazrope de guaraná, mate e groselha e vinho tinto;
-Testar novas metodologias de extração desses corantes,
-Desenvolver, caracterizar e montar células DSSC;
- Desenvolver novas metodologias de preparo de emulsão (pastas) e sol-gel contendo os
óxidos metálicos semicondutores TiO2 e Nb2O5;
3- Materiais e Equipamentos
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3.1- Solventes e Reagentes
Os materiais usados nesse projeto são:
- Etanol;
-Acetonitrila;
-Água deionizada e destilada;
-Triton-X-100 (detergente);
-Placas de vidros recobertas (frente e verso) com óxido de Estanho e Índio (ITO);
-TiO2 em pó;
- Nb2O5 em forma de pó, gentilmente cedido pela Companhia Brasileira de Metalurgia
e Mineração (CBMM);
-Fontes de corantes orgânicos diversas para extração;
-Pectina cítrica;
-Glicerina;
-Perclorato de Lítio;
3.2- Equipamentos
-Placa de agitação;
-Ultrassom;
-Estufa;
-Mufla;
- Spinner, modelo Spin 100D;
-Osciloscópio (DSO 102A –Agilent Technologies 60 MHz);
4- Atividades desenvolvidas
4.1- Pesquisa bibliográfica
Inicialmente foi feita uma pesquisa sobre células solares, bem consistente envolvendo
todos os alunos participantes do projeto. Pesquisou-se desde células solares à base de Silício
(mais encontradas no mercado) até células DSSC e híbridas. Para estas últimas também foram
pesquisadas metodologias sobre como fabricá-las e suas eficiências.
Esta pesquisa durou de maio a junho de 2011. Os resultados encontrados pelos alunos
eram discutidos em reuniões semanais para a compreensão do mecanismo de funcionamento
das células DSSC, bem como investigar as várias metodologia de preparo dessas células.
4.2- Curso MATLAB
De agosto a outubro de 2011 todos os alunos de iniciação Científica (IC) envolvidos
nessa pesquisa, assim como pesquisadores bolsistas, fizeram um curso de MATLAB
oferecido pelo Departamento de Engenharia Elétrica da PUC-Rio. O objetivo desse curso foi
dar um suporte teórico para o estudo de simulação computacional que será realizado
futuramente nesse projeto.
5- Metodologia
A infraestrutura necessária para a realização deste projeto já se encontra na PUC-Rio,
consistindo de um laboratório químico disponível. Além disso, foi preciso encomendar certos
materiais como o Nb2O5, cedido pela CBMM, TiO2, e placas de vidro recobertas em ambos
os lados com ITO.
A metodologia usada para o preparo das células DSSC consistiu em 7 etapas:
-Preparo da emulsão (pasta) de Nb2O5 ou TiO2;
-Deposição dela numa placa contendo óxido de titânio e índio (ITO), previamente
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limpa;
-Preparação do catodo (fuligem);
-Preparação do eletrólito em gel;
-Extração dos corantes orgânicos;
-Montagem da célula;
-Leitura de voltagem;
Primeiramente lavou-se as placas de ITO com detergente Triton-X-100 durante uma hora
no ultrassom. Em seguida, o detergente foi totalmente retirado com muita água deionizada e
destilada e as placas são imersas em acetonitrila e colocadas novamente no ultrassom durante
uma hora. Depois desse procedimento, as placas de ITO foram retiradas do solvente
acetonitrila e em seguida foram secas na estufa por um período de 30 minutos.
O preparo da emulsão (pasta) foi feito misturando 1g de TiO2 ou Nb2O5 com 10 ml de
etanol em um béquer de 25 ml. Para aumentar a adesão da emulsão sobre o substrato
adiciona-se 0,15 ml de triton-X-100. Logo depois, submeteu-se a emulsão à agitação (na placa
de agitação) durante 5 minutos e depois durante uma hora no ultrassom. Esse procedimento
foi repetido 3 vezes na sequência. Depois de pronta a pasta contendo o TiO2 ou Nb2O5, esta
foi depositada na placa contendo o filme de ITO empregando a técnica painting.
As Figuras a seguir mostram algumas etapas de preparo da pasta contendo o óxido de
titânio, TiO2 ou o pentóxido de nióbio, Nb2O5.
Figura 4: Preparação da pasta (na placaa
Figura 5: Preparação da pasta (no ultrassom).
de agitação).
A deposição da emulsão (pasta) foi feita cuidadosamente por espalhamento em 2
camadas, com o auxilio de um bastão de vidro comum, pelo método painting e foi empregado
também o método spin coating utilizando o equipamento spinner. Depois desse procedimento,
a pasta deve estar seca na estufa por 30 minutos e em seguida foi sinterizada a 450 ºC durante
30 minutos em uma Mufla.
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Figura 6: Pasta pronta para ser colocada na Mufla.
Figura 7: Mufla, onde ocorre o precesso de
sinterização por 30 minutos a 450 oC.
A preparação do catodo foi feita por deposição de fuligem em outra placa de ITO.
Figura 8: Placa de ITO preparada para ser o catodo da célula.
Para preparar o eletrólito em gel, misturou-se 0,6 g de pectina cítrica, 10,78 mL de
glicerina e 0,24 g de perclorato de lítio. Essa mistura foi colocada sob agitação vigorosa até
total dissolução. Em seguida, foram adicionados 20 mL de água. A mistura foi aquecida a
70 oC sob agitação constante até completar a diluição. Depois, a mistura foi depositada em
uma cuba na estufa por 48 horas para secar. Quando a mistura seca e não é usada
imediatamente, ela deve ser armazenada em ambiente muito seco ou à vácuo.
É importante acrescentar que inicialmente tentamos usar um eletrólito líquido,
contendo o par redox iodeto/triodeto. Isso gerou problemas de vazamento e secagem rápida
do eletrólito líquido na célula já montada. Além disso, vimos que a eficiência dela com este
eletrólito era menor do que na forma gel. Dessa forma, optamos pelo eletrólito em gel, já
descrito anteriormente, uma vez que com ele os problemas de secagem e vazamento são
praticamente inexistentes.
A extração dos corantes naturais foi feita por maceração das frutas auxiliada por grau e
pistilho, em seguida o suco é filtrado a vácuo. Quando o suco estava muito concentrado, foi
necessário fazer uma diluição 1:1 com agua ionizada e bidestilada.
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Os corantes naturais extraídos foram de amora, jamelão, cereja, jabuticaba, cenoura,
beterraba e os corantes artificiais: xaropes de groselha, guaraná e mate.
Figura 9: Corante de jabuticaba.
Figura 10: Corante de amora.
Finalmente, na montagem da célula, a placa contendo a pasta de TiO2, previamente
sinterizada foi submersa no suco filtrado da fruta por 24 horas.
Depois desse período, foi feita a deposição do eletrólito em gel na placa de vidro
contendo a pasta de TiO2 ou de Nb2O5 sinterizada e com o corante orgânico. Utilizando uma
espátula, corta-se uma parte do gel que cubra suficientemente toda a área onde a pasta foi
depositada.
Figura 11: Eletrólito em gel depositado em cima da pasta já sinterizada e
Corada por 24 horas com um corante orgânico.
Figura 12: Eletrólito em gel sendo depositado.
Em seguida, foi feita a junção das duas placas de ITO, sendo a parte interior dessa
junção a que contem a fuligem e a pasta recoberta com o eletrólito em gel. Para isso, utiliza-se
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nada mais que fita adesiva nos quatro cantos da célula com as partes já unidas. Figuras 13 até
15.
Figura 13: Montagen da célula DSSC.
Figura 14: Montagen da célula DSSC.
Figura 15: Célula solar DSSC montada.
Para a realização dos testes de eficiência das células, foram realizadas várias leituras da
voltagem de cada célula montada em um ambiente controlado de luz de 60 watts, usando um
osciloscópio. Essa leitura foi realizada no Laboratório de Semicondutores (LabSem),
coordenado pela professora Dra Patrícia Lustoza. As Figuras a seguir mostram os
procedimentos das leituras das voltagens.
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Figura 16: Lei das voltagens de cada célula montada com o osciloscópio
Figura 17: Lei das voltagens de cada célula montada com o osciloscópio
Figura 18: Lei das voltagens de cada célula montada com o osciloscópio
6- Resultados
Dentre os corantes testados, a sensibilização do corante extraído da jabuticaba apresentou a
maior voltagem, 330 mV. A leitura dos demais ficou, em média, igual a 145,4 mV. As células
de Nb2O5, embora já com uma metodologia formada, estão ainda em processo de
desenvolvimento, devido à demora que passamos para ter o Nb a nossa disposição. Na Tabela
1, encontram-se os corantes testados e suas leituras de voltagem.
Tabela 1 - Voltagens alcançadas nos testes
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Fruta/corante (suco da fruta)
mvolt
Tempo para fazer a leitura
em minutos
(tempo de saturação)
Amora
150
10
Cereja
184
10
Jabuticaba
330
17
Jamelão
115
10
Cenoura
115
8
Beterraba
191
15
Xarope de groselha/corante artificial
128
10
Xarope de guaraná/corante artificial
122
8
Xarope de mate/ corante artificial
110
8
Branco (célula fotovoltaica somente com
a pasta de TiO2)
8,95
8
7- Próximas Etapas
É necessário ainda investigar outras metodologias de preparo de pastas e Sol-gel, bem
como outros corantes naturais como o açaí, jenipapo, urucum e a clorofila, assim como sua
capacidade e sensibilização ao longo do dia.
8- Referências
1 – FREITAS,Fábio Elias.Célula Solar de SnO2/TiO2 preparada por “Spray”-pirólise
ativada com corante orgânico .Ilha Solteira(SP), 2006.106p.Dissertação( Pós-Graduação em
Ciência dos Materiais).Departamento de Física e Química, Universidade Estadual Paulista.
2 - Agnaldo, J. S.; Bastos, J.B.V. e Cressonu, J.C. e Viswanathan, G. M. Células Solares de
TiO2 Sensibilizada por Corante. Rev. Brasileira de Ensino de Física, v. 28, n. 1, p. 77-84.
(2006).
3 – FEITOSA, Alexandra de Vasconcelos.Estudo de novos corantes naturais fotoexcitáveis
como sensibilizadores em células solares.Fortaleza(CE), 2011.113p.Dissertaçao (Mestrado
acadêmico em Ciências Físicas Aplicadas). Universidade Estadual do Ceará.